專利名稱：高效節(jié)能型多晶硅還原爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能新材料硅棒制造設(shè)備，尤其是一種多晶硅還原爐，具體地說是一種大規(guī)格高效節(jié)能型多晶硅還原爐。
背景技術(shù)：
目前，在世界原油價格居高不下的嚴峻情況下，節(jié)約能源、提高能量利用效率引起世界各國高度重視。此外，由于人類所需能源目前主要依賴石油、煤炭等，熱電和工業(yè)生產(chǎn)排放大量CO2,全球氣候變暖明顯。能源危機與生態(tài)環(huán)境惡化成為人類文明發(fā)展的瓶頸。 我國快速發(fā)展的經(jīng)濟和人民生活水平不斷提高，能源需求大幅度增加，碳排放量與日劇增。 太陽能、風能、水能、核能等新能源日益受到各國關(guān)注，發(fā)展迅速。多晶硅是利用太陽能發(fā)電的光伏電池的重要材料，市場需求量巨大。特別是中國最近五年多晶硅行業(yè)發(fā)展迅猛，太陽能級多晶硅產(chǎn)量在亞洲第一。但是單位能耗平均水平與國外先進水平仍有較大差距。降低能耗和成本是多晶硅生產(chǎn)商對關(guān)鍵設(shè)備多晶硅還原爐的迫切要求。太陽能級硅(SOG)和電子級硅(EOG)純度要求非常高，要應(yīng)用化學(xué)方法把冶金級硅(工業(yè)硅)轉(zhuǎn)換成硅烷，主要是三氯硅烷(SiHC13)和單硅烷(SiH4))，通過精餾對硅烷提純，然后再把高純度的硅烷氣體通過化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法轉(zhuǎn)化為超純多晶硅。目前世界上生產(chǎn)制造多晶硅的SiHC13的氫還原反應(yīng)器大多是鐘罩型西門子反應(yīng)器，也被稱作西門子還原爐。1955年，西門子公司成功開發(fā)了在鐘罩型反應(yīng)器內(nèi)利用氫氣還原三氯硅烷 (SiHC13)在細硅芯發(fā)熱體上氣相沉積硅的工藝技術(shù)，并于1957年開始了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)， 這就是通常所說的西門子法。在西門子法工藝的基礎(chǔ)上，通過增加還原尾氣干法回收系統(tǒng)、 SiC14氫化工藝，把SiHC13還原反應(yīng)副產(chǎn)物SiC14轉(zhuǎn)換成SiHC13循環(huán)使用，實現(xiàn)了閉路循環(huán)，于是形成了改良西門子法——閉環(huán)式SiHC13氫還原法。改良西門子法包括五個主要環(huán)節(jié)SiHC13合成、SiHC13精餾提純、SiHC13的氫還原、尾氣的回收和SiC14的氫化分離。該方法通過采用大型還原爐，降低了單位產(chǎn)品的能耗。通過采用SiC14氫化和尾氣干法回收工藝，明顯降低了原輔材料的消耗。多晶硅還原爐是多晶硅生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，還原爐的設(shè)計和操作直接影響著能耗和成本。多晶硅還原爐主要有石英鐘罩型和金屬鐘罩型兩種。石英鐘罩型反應(yīng)器的內(nèi)壁是石英鐘罩，在還原反應(yīng)之前用紅外燈透過石英罩加熱細硅棒到硅棒導(dǎo)電加熱啟動溫度。由于石英耐壓能力差，一般在常壓下進行反應(yīng)。金屬鐘罩型允許加壓操作，增加沉積速率。目前國內(nèi)基本以金屬鐘罩型氣相沉積反應(yīng)器為主。當導(dǎo)電硅芯預(yù)熱到約1100°C溫度后，高純度的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合后，在一定的溫度和壓力下通入多晶硅還原爐內(nèi)，在直徑5 10mm、長約2米的導(dǎo)電硅芯上開始還原反應(yīng)沉積生成多晶硅。原料氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間一般為5-20s，三氯氫硅在 575°C時開始分解，還原反應(yīng)溫度控制在1100°C左右，150小時左右生成直徑150 200mm 的棒狀多晶硅，同時生成四氯化硅、氯化氫等副產(chǎn)物。反應(yīng)停止后，惰性氣體吹掃，冷卻后打開鐘罩，卸下硅棒。還原爐的輔助設(shè)施包括冷卻系統(tǒng)和硅棒拆卸系統(tǒng)。在1100°C時，硅棒表面主要反應(yīng)為
SiHC13 個 + H2 個=Si + 3HC1 個(1)
由于還原爐內(nèi)溫度不均勻，同時還存在其他反應(yīng)，四氯化硅是主要副產(chǎn)物 SiHC13 丨 + HCl 丨=SiC14 + H2 丨(2)
同時可發(fā)生三氯氫硅的熱分解和四氯化硅的二次還原反應(yīng)。三氯氫硅還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)主要發(fā)生在高溫的硅棒表面，所以要維持硅棒表面1100°C，超過1200°C時鹽酸就會腐蝕硅，使產(chǎn)量減少。硅的熔點是1410°C，這是硅棒內(nèi)部的極限溫度，否則硅棒會傾倒。還原爐的金屬壁面需適當冷卻，溫度要保持在500°C以內(nèi)，防止硅在金屬壁面發(fā)生沉積。在金屬壁面發(fā)生沉積會減少產(chǎn)量，也會增加輻射熱吸收造成高能耗，而且硅會與金屬發(fā)生反應(yīng)，從金屬表面掉下的碎屑會污染硅棒。由多晶硅在還原爐生長過程可知，能耗主要發(fā)生在高溫硅棒對低溫爐壁面和底盤的輻射損失。提高單爐的生產(chǎn)規(guī)模和減少輻射損失可以明顯降低單位能耗。M對棒還原爐比12對棒還原爐能耗可降低20%。最近美國的GT Solar, Inc.在還原爐中使用涂層技術(shù)來提高壁面反射能力，減少硅棒輻射熱損失，使爐內(nèi)溫度更均勻，每公斤多晶硅電耗達到50 度。目前國內(nèi)最先進單位能耗水平為60度電，平均單位能耗水平為90度電，節(jié)能潛力很大。所以開發(fā)大型節(jié)能還原爐是多晶硅生產(chǎn)的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前的多晶硅還原爐存在的單爐產(chǎn)量小、能耗高的問題，設(shè)計一種大規(guī)格高效節(jié)能型多晶硅還原爐。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種高效節(jié)能型多晶硅還原爐，它包括支座1、帶水夾套雙管板7和由爐筒內(nèi)壁14及爐筒外壁16組成的爐體，其特征是所述的爐筒內(nèi)壁14上設(shè)有納米級熱反射涂層17，在爐筒內(nèi)壁14與爐筒外壁16之間安裝有螺旋支撐板19，爐筒外壁16下部設(shè)有冷卻水進口 22，冷卻水在爐筒內(nèi)壁14與爐筒外壁16之間沿螺旋上升至爐體頂部的水汽出口 18排出爐體外； 所述的帶水夾套雙管板7中設(shè)有多圈電極套12，電極5穿裝在電極套12中，電極5的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒15，電極5的下端安裝有冷卻水套，冷卻水套的進水口 4通過管道與冷卻水源相連，冷卻水套的出水口 6通過管道與排水口相連；所述的帶水夾套雙管板7 的內(nèi)腔與進水及分配管3相連通；在所述的帶水夾套雙管板7的表面設(shè)有多圈原料氣噴嘴 21，在雙管板7下方安裝有進氣環(huán)管及分配管2，原料氣噴嘴21安裝在進氣環(huán)管及分配管 2中的分配管的上端，該分配管的上端穿過帶水夾套雙管板7內(nèi)部的水路與爐體內(nèi)腔相通； 在帶水夾套雙管板7的中心連接有與爐體內(nèi)腔相通的尾氣排氣管沈，尾氣排氣管沈套裝在冷卻水排水管25中，冷卻水排水管25的進水端與帶水夾套雙管板7內(nèi)腔相通以便將內(nèi)腔中的冷卻水排出。所述的爐體沿內(nèi)壁或外壁設(shè)置冷卻水夾套，即在爐筒內(nèi)壁14與爐筒外壁16之間有螺旋支撐板的19冷卻水夾套，爐筒法蘭帶有內(nèi)冷卻水夾套23，雙管板7之間有徑向折流板觀和周向折流板27的形成的冷卻水夾套，這些措施避免了夾套和管板及管板上電極座的過熱，而且避免了水汽流動的沖擊而發(fā)生振動、搖晃。
所述的爐筒內(nèi)壁14上設(shè)有納米級熱反射涂層17，納米級熱反射涂層17厚度為 50-200Mm，且涂層表面粗糙度小于0. 2Mm,材料為Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、 Ag及其合金、Au及其合金或氮化合金，增加了耐沖刷和提高熱反射。所述的帶水夾套雙管板7的管板頂部連接有排氣管對，避免了氣蝕和過熱。所述的帶水夾套雙管板7的內(nèi)壁設(shè)有納米級強化傳熱元件9，避免了氣蝕和過熱。所述的管板納米級強化傳熱元件9為在帶水夾套雙管板7上管板內(nèi)壁上形成的散熱片、凸凹結(jié)構(gòu)、菱形或凹槽、肋片、環(huán)形槽或徑向槽；納米級強化傳熱元件9的布置為低翅密排，即翅高小于1mm，寬度小于1mm。所述的帶水夾套雙管板7中設(shè)有徑向折流板觀和與徑向折流板觀相連的周向折流板27。所述的徑向折流板觀的數(shù)量至少為4個，每個與徑向折流板觀至少連接有兩個周向折流板27，徑向折流板觀和周向折流板27帶有弧形過渡段。所述的爐體沿外壁設(shè)置多個觀察視鏡11和測溫孔20，觀察視鏡11和測溫孔20設(shè)有冷卻水和膨脹節(jié)13。本發(fā)明的有益效果
1、本發(fā)明還原爐內(nèi)壁經(jīng)特殊處理，爐內(nèi)壁涂層增強反射處理，降低黑度系數(shù)，使用壽命長。對還原爐內(nèi)壁進行特殊處理，在不銹鋼表面形成高反射率涂層，減少輻射熱量損失。即爐筒內(nèi)壁上設(shè)鍍、涂納米級熱反射涂層，納米級熱反射涂層厚度為50-200um，且涂層表面粗糙度小于0. 2um，材料為Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、Ag及其合金、Au及其合金、氮化合金等。若內(nèi)壁涂層發(fā)射率0. 01 0. 03，硅棒溫度1100°C，比傳統(tǒng)的無涂層的不銹鋼內(nèi)壁節(jié)能30%，每公斤多晶硅電耗低于45度。2、本發(fā)明通過沿爐體整個表面，內(nèi)壁或外壁設(shè)置冷卻水夾套，即在爐筒內(nèi)壁與爐筒外壁之間有螺旋支撐板的冷卻水夾套，爐筒法蘭帶有內(nèi)冷卻水夾套，雙管板之間有徑向折流板和周向折流板的冷卻水夾套。其效果是降低爐筒金屬壁面溫度，減少原料反應(yīng)結(jié)垢， 提高硅棒生產(chǎn)率，并且延長使用壽命。3、本發(fā)明的底盤面積較大，能有效防止熱應(yīng)力變形，在底盤與冷卻水接觸面上加工出菱形或凹槽、肋片、環(huán)形槽、徑向槽等強化傳熱體，強化傳熱體的布置為低翅密排，即翅高小于1mm，寬度小于1mm，不影響底盤的結(jié)構(gòu)和強度。同時通過折流板的作用使得散熱更加均勻快速，避免了電極和底盤的過熱而引起事故。4、電極合理布置，均勻布置。即每一個電控制區(qū)的電極數(shù)相等，且可控調(diào)節(jié)。有密封、快開連接等等組件，拆卸方便高效，可阻止流體往殼體外泄露。5、節(jié)能效果好，比傳統(tǒng)的無涂層的不銹鋼內(nèi)壁節(jié)能30%以上，每公斤多晶硅電耗低于45度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖1的B-B剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為支座，2為進氣環(huán)管及分配管，3為進水及分配管，4為為電極冷卻水進口，5為電極，6為冷卻水出口，7為帶水夾套雙管板，8為密封墊，9為管板強化傳熱元件，10 為堅固連接件，11為視鏡，12為電極套，13為膨脹節(jié)，14為爐筒內(nèi)壁，15為硅棒，16為爐筒外壁，17為涂層，18為水汽出口，19為螺旋支撐板，20為測溫孔，21為原料氣噴嘴，22為冷卻水進口，23為冷卻水夾套，24為水汽排氣口，25為冷卻水出口管，26為尾氣排氣管，27為周向折流板二8為徑向折流板，33為接管法蘭。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-3所示。一種大型高效節(jié)能型多晶硅還原爐，它包括支座1、帶水夾套雙管板7和由爐筒內(nèi)壁14及爐筒外壁16組成的爐體，爐體的直徑至少為3米，如圖1所示，所述的爐筒內(nèi)壁14 上設(shè)有熱反射涂層17，在爐筒內(nèi)壁14與爐筒外壁16之間安裝有螺旋支撐板19，爐筒外壁 16下部設(shè)有冷卻水進口 22，冷卻水在爐筒內(nèi)壁14與爐筒外壁16之間沿螺旋上升至爐體頂部的水汽出口 18排出爐體外；所述的帶水夾套雙管板7中設(shè)有多圈電極套12，如圖2所示， 共有四圈，分別排列有8、16、32、64個電極套12，電極5穿裝在電極套12中，電極5的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒15，電極5的下端安裝有冷卻水套，冷卻水套的進水口 4通過管道與冷卻水源相連，冷卻水套的出水口 6通過管道與排水口相連；所述的帶水夾套雙管板7 的內(nèi)腔與進水及分配管3相連通；在所述的帶水夾套雙管板7的表面設(shè)有多圈原料氣噴嘴 21 (共三圈M個噴嘴)，在支座1上安裝有進氣環(huán)管及分配管2，原料氣噴嘴21安裝在進氣環(huán)管及分配管2中的分配管的上端，該分配管的上端穿過帶水夾套雙管板7內(nèi)部的水路與爐體內(nèi)腔相通；在帶水夾套雙管板7的中心連接有與爐體內(nèi)腔相通的尾氣排氣管沈，尾氣排氣管26套裝在冷卻水排水管25中，冷卻水排水管25的進水端與帶水夾套雙管板7內(nèi)腔相通以便將內(nèi)腔中的冷卻水排出。帶水夾套雙管板7還連接有水汽排氣管24。所述的帶水夾套雙管板7的內(nèi)壁設(shè)有管板強化傳熱元件9。所述的管板強化傳熱元件9為凸起在帶水夾套雙管板7內(nèi)壁的散熱片、凸凹結(jié)構(gòu)、菱形或凹槽、肋片、環(huán)形槽或徑向槽。所述的帶水夾套雙管板7中設(shè)有徑向折流板觀和與徑向折流板觀相連的周向折流板27，如圖3所示，所述的徑向折流板觀的數(shù)量至少為4個，每個與徑向折流板觀至少連接有兩個周向折流板 27。本發(fā)明實施例的金屬鐘罩型多晶硅還原爐主要由底盤(即帶水夾套雙管板7，下同)、含夾套冷卻水的鐘罩式雙層爐體、電極5、視鏡孔、混和氣進氣管、混和氣尾氣出氣管、 爐體冷卻水進水管、爐體冷卻水出水管、底盤冷卻水進水管、底盤冷卻水出水管、電極冷卻水進水管、電極冷卻水出水管及其他附屬部件組成，每對電極分正負極均勻的設(shè)置在底盤上，混和氣進氣管分為數(shù)個噴口均勻的設(shè)置在底盤上，混合氣出氣口設(shè)在底盤中心位置。當導(dǎo)電硅芯預(yù)熱到約1100°C溫度后，高純度的三氯氫硅與氫氣按一定比例混合后，在一定的溫度和壓力下通入多晶硅還原爐內(nèi)，在直徑5 10mm、長約2米的導(dǎo)電硅芯上開始還原反應(yīng)沉積生成多晶硅。原料氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間一般為5-20s，三氯氫硅在 575°C時開始分解，還原反應(yīng)溫度控制在1100°C左右，100小時左右生成直徑120 160mm 的棒狀多晶硅，同時生成四氯化硅、氯化氫等副產(chǎn)物。反應(yīng)停止后，惰性氣體吹掃，冷卻后打開鐘罩，卸下硅棒。還原爐的輔助設(shè)施包括冷卻系統(tǒng)和硅棒拆卸系統(tǒng)。由多晶硅在還原爐生長過程可知，能耗主要發(fā)生在高溫硅棒對低溫爐壁面和底盤的輻射損失。提高單爐的生產(chǎn)規(guī)模和減少輻射損失可以明顯降低單位能耗。在還原爐中使用涂層技術(shù)來提高壁面反射能力，減少硅棒輻射熱損失，使爐內(nèi)溫度更均勻。若涂層內(nèi)壁發(fā)射率0. 01 0. 03，硅棒溫度 1100°C，比傳統(tǒng)的無涂層的不銹鋼內(nèi)壁節(jié)能20-30%，每公斤多晶硅電耗低于45度。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種高效節(jié)能型多晶硅還原爐，它包括支座(1)、帶水夾套雙管板(7)和由爐筒內(nèi)壁 (14)及爐筒外壁(16)組成的爐體，其特征是所述的爐筒內(nèi)壁(14)上設(shè)有納米級熱反射涂層(17)，在爐筒內(nèi)壁(14)與爐筒外壁(16)之間安裝有螺旋支撐板(19)，爐筒外壁(16)下部設(shè)有冷卻水進口(22)，冷卻水在爐筒內(nèi)壁(14)與爐筒外壁(16)之間沿螺旋上升至爐體頂部的水汽出口(18)排出爐體外；所述的帶水夾套雙管板(7)中設(shè)有多圈電極套(12)，電極(5)穿裝在電極套(12)中，電極(5)的上端伸入爐體中用于插裝硅芯棒(15)，電極(5)的下端安裝有冷卻水套，冷卻水套的進水口(4)通過管道與冷卻水源相連，冷卻水套的出水口(6)通過管道與排水口相連；所述的帶水夾套雙管板(7)的內(nèi)腔與進水及分配管(3)相連通；在所述的帶水夾套雙管板(7)的表面設(shè)有多圈原料氣噴嘴(21)，在雙管板(7)下方安裝有進氣環(huán)管及分配管(2)，原料氣噴嘴(21)安裝在進氣環(huán)管及分配管(2)中的分配管的上端，該分配管的上端穿過帶水夾套雙管板(7)內(nèi)部的水路與爐體內(nèi)腔相通；在帶水夾套雙管板(7)的中心連接有與爐體內(nèi)腔相通的尾氣排氣管(26)，尾氣排氣管(26)套裝在冷卻水排水管(25)中，冷卻水排水管(25)的進水端與帶水夾套雙管板(7)內(nèi)腔相通以便將內(nèi)腔中的冷卻水排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐體沿內(nèi)壁或外壁設(shè)置冷卻水夾套，即在爐筒內(nèi)壁(14)與爐筒外壁(16)之間有螺旋支撐板的(19)冷卻水夾套，爐筒法蘭帶有內(nèi)冷卻水夾套(23)，雙管板(7)之間有徑向折流板(28)和周向折流板(27)的形成的冷卻水夾套。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐筒內(nèi)壁(14)上設(shè)有納米級熱反射涂層(17)，納米級熱反射涂層(17)厚度為50-200Mffl，且涂層表面粗糙度小于0. 2Μπι,材料為Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、Ag及其合金、Au及其合金或氮化合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的帶水夾套雙管板(7)的管板頂部連接有排氣管(24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的帶水夾套雙管板 (7)的內(nèi)壁設(shè)有納米級強化傳熱元件(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的管板納米級強化傳熱元件(9 )為在帶水夾套雙管板(7 )上管板內(nèi)壁上形成的散熱片、凸凹結(jié)構(gòu)、菱形或凹槽、肋片、環(huán)形槽或徑向槽；納米級強化傳熱元件(9)的布置為低翅密排，即翅高小于1mm， 寬度小于1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的帶水夾套雙管板 (7)中設(shè)有徑向折流板(28)和與徑向折流板(28)相連的周向折流板(27)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的徑向折流板(28) 的數(shù)量至少為4個，每個與徑向折流板(28)至少連接有兩個周向折流板(27)，徑向折流板(28)和周向折流板(27)帶有弧形過渡段。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能型多晶硅還原爐，其特征是所述的爐體沿外壁設(shè)置多個觀察視鏡(11)和測溫孔(20)，觀察視鏡(11)和測溫孔(20)設(shè)有冷卻水和膨脹節(jié)(13)。
全文摘要
一種高效節(jié)能型多晶硅還原爐，它包括支座(1)、帶水夾套雙管板(7)和由爐筒內(nèi)壁(14)及爐筒外壁(16)組成的爐體，其特征是所述的爐筒內(nèi)壁(14)上設(shè)有熱反射涂層(17)，在爐筒內(nèi)壁(14)與爐筒外壁(16)之間安裝有螺旋支撐板(19)，爐筒外壁(16)下部設(shè)有冷卻水進口(22)，冷卻水在爐筒內(nèi)壁(14)與爐筒外壁(16)之間沿螺旋上升至爐體頂部的水汽出口(18)排出爐體外；所述的帶水夾套雙管板(7)中設(shè)有多圈電極套(12)，電極(5)穿裝在電極套(12)中，所述的帶水夾套雙管板(7)的內(nèi)腔與進水及分配管(3)相連通；在所述的帶水夾套雙管板(7)的表面設(shè)有多圈原料氣噴嘴(21)，在帶水夾套雙管板(7)的中心連接有與爐體內(nèi)腔相通的尾氣排氣管(26)和冷卻水排水管(25)。本發(fā)明爐內(nèi)溫度均勻性好，節(jié)能效果顯著。
文檔編號C01B33/03GK102424386SQ20111026229
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者何松, 劉世平, 劉豐, 李暉, 王紅麗, 田朝陽, 練綿炎, 郭宏新, 馬明 申請人:江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司